EP1836433A2 - Wärmestrahlungsschutzschirm für vakuum - und schutzgasöfen - Google Patents

Wärmestrahlungsschutzschirm für vakuum - und schutzgasöfen

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EP1836433A2
EP1836433A2 EP06707681A EP06707681A EP1836433A2 EP 1836433 A2 EP1836433 A2 EP 1836433A2 EP 06707681 A EP06707681 A EP 06707681A EP 06707681 A EP06707681 A EP 06707681A EP 1836433 A2 EP1836433 A2 EP 1836433A2
Authority
EP
European Patent Office
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thermal radiation
shield according
radiation shield
heat
thermal
Prior art date
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EP06707681A
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English (en)
French (fr)
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EP1836433B1 (de
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Jörg ADLER
Gisela Standke
Daniela Kopejzny
Günter Stephani
Kerstin KÜMMEL
Wieland Beckert
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP1836433B1 publication Critical patent/EP1836433B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D1/00—Casings; Linings; Walls; Roofs
    • F27D1/0003—Linings or walls
    • F27D1/0006—Linings or walls formed from bricks or layers with a particular composition or specific characteristics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/006—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of flat products, e.g. sheets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L59/00—Thermal insulation in general
    • F16L59/08—Means for preventing radiation, e.g. with metal foil
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D1/00—Casings; Linings; Walls; Roofs
    • F27D1/0003—Linings or walls
    • F27D1/0033—Linings or walls comprising heat shields, e.g. heat shields
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component
    • Y10T428/249953—Composite having voids in a component [e.g., porous, cellular, etc.]
    • Y10T428/249967—Inorganic matrix in void-containing component
    • Y10T428/24997—Of metal-containing material

Definitions

  • the invention relates to the field of mechanical engineering and relates to a radiation protection screen for vacuum and protective gas furnaces, which is used for the best possible shielding of the heat radiation.
  • the heat source (heater) and the material to be treated should be thermally shielded from the environment for reasons of effectiveness.
  • the environment e.g., the furnace wall
  • the propagation of heat is essentially based on three principles: propagation via heat conduction in substances (without material movement), convection (with material movement) and propagation through thermal radiation.
  • the latter requires no transmission medium, so it is also possible in a vacuum.
  • thermal insulation convection is restricted or prevented for the above-mentioned reasons, and materials having a low thermal conductivity and / or materials which reflect heat radiation are used as thermally insulating substances.
  • thermally insulating substances between the heat source and the environment to be protected are introduced, which hinder a spread of heat.
  • heat transfer by convection and heat conduction plays only a minor role, since the gaseous transmission medium is missing or has poor heat conduction properties.
  • Vacuum and inert gas ovens are therefore protected by so-called radiation shields of refractory metals, e.g. Mo, W, Ta and their alloys isolated, although they have a relatively high thermal conductivity, but shield the furnace walls of the thermal radiation of the heating element.
  • refractory metals e.g. Mo, W, Ta and their alloys isolated
  • ⁇ The ability of a material to emit heat radiation is expressed by the emission coefficient ⁇ to absorb heat by the absorption number a.
  • the emission coefficient of a body is equal to the absorption coefficient.
  • ⁇ the lowest possible ⁇ value is sought, ⁇ depends both on the material used (as a material parameter) and on the surface condition of the material. Smooth surfaces have a lower emission coefficient than rough surfaces.
  • ⁇ also depends on the temperature, i. usually the value increases with increasing temperature.
  • the radiation shields are in use.
  • An alternative use of known thermal insulation materials is unfavorable because they have a high internal surface and the substances absorbed in it are difficult to remove in a vacuum, so that the achievement of a high negative pressure in the oven takes a long time or is not possible.
  • these heat insulating materials are often very bulky and have a high heat capacity, whereby the heating and cooling of the furnace takes a very long time.
  • conventional thermal radiation shields have the advantage that they have little surface and little heat capacity, whereby the ovens can be heated and cooled quickly and high vacuum levels can be achieved.
  • Thermal radiation shields are arranged several times in succession with intervening clearances and are located between the heat source and the area to be thermally protected. For example, in a cylindrical furnace with cylindrical heating conductors between the heating conductors and the furnace wall, a plurality of concentrically arranged sheets of molybdenum or tungsten are arranged at regular intervals from one another. At the bottom and on the lid of the cylindrical oven are round molybdenum or tungsten sheets arranged one above the other.
  • a disadvantage of the use of heat radiation protective screens are the high price of the sheets of refractory metals and the high weight of such sheets. It has therefore been attempted to use refractory metal as little as possible, for example by using thinner sheets. However, the limits are set, since these sheets must have a sufficiently high mechanical strength so as not to deform during operation of the furnace and to carry its own weight. Otherwise, elaborate support and fastening devices are also required in the oven, which cancel the advantage again.
  • thermal radiation shields for molybdenum vacuum and protective gas furnaces or tungsten are at ⁇ e ff ⁇ 0.07, typically> 0.175, if no highly polished sheets are used, which is expensive and expensive. These values are only very slightly dependent on the thickness of the plate because of the high thermal conductivity. Typically, sheets of 0.1 mm to 1 mm thickness are used, depending on the size of the furnace, so that the basis weights for molybdenum sheets are from 1 to 10.4 kg / m 2 and for tungsten sheets from 1 to 9-19.3 kg / m 2 .
  • JP 09176821 consist of a metallic carrier and a mostly ceramic thermal barrier coating, with various intermediate layers for adhesion promotion and corrosion protection.
  • the thermal barrier coating reduces heat conduction at low temperatures and protects the metal substrate from exposure to heat. At very high temperatures, however, a high absorption of the radiant heat would occur in the thermal barrier coating and lose the heat shield of effectiveness.
  • DE 197 50 517 A1 a porous metal fiber felt intermediate layer is applied, wherein the intermediate layer is to enable better active cooling by forced convection with a cooling medium. However, this cooling is technically very complicated and therefore not suitable for vacuum and protective gas furnaces.
  • heat shields e.g. in DE 199 47 755 or DE 36 07 047 are constructed of porous material and are flowed through by a hot medium (for example, exhaust gas or reaction products), i.
  • a hot medium for example, exhaust gas or reaction products
  • a high proportion of heat is transferred by the boundary conditions of the technical process via convection.
  • the heat of the hot, flowing medium to be transferred to the porous medium by a high heat transfer which should reduce the return of the heat with the medium by re-radiation into the reaction chamber.
  • the emissivity of the surface should be as high as possible, which is very unfavorable at high temperatures, since then a high proportion of the radiant heat is absorbed.
  • Thermally particularly good insulating materials are u.a. in JP 63263370 or US Pat. No. 5,744,225 by a multi-layer structure which exploits the different spectral transmittance of the thermal radiation of different materials.
  • the object of the present invention is to provide heat radiation protection screens with reduced weight with the same or lower effective emissivity.
  • An inventive heat radiation protection screen for vacuum and protective gas furnaces consists at least of a porous ceramic and / or metallic material, and has at least on a surface in the direction of the heat source high heat radiation reflecting properties. It is advantageous if the thermal radiation protection screen has an emission coefficient at the surface of 0.03-0.5 in the temperature range of 20-1800 0 C.
  • a heat radiation protection screen according to the invention consists of a ceramic and / or metallic material having a porosity in the range of 80 to 97%, more advantageously in the range of> 90%.
  • a material with a low emission coefficient is applied to the porous ceramic and / or metallic material. It is particularly advantageous if the emission coefficient of the deposited material has an emission coefficient of 0.03-0.35 in the temperature range of 20-1800 0 C. It is also advantageous if this low emissivity material is a metal foil or even better a dense, nonporous metal foil or a dense layer.
  • porous ceramic material is a ceramic foam, more advantageously, if it consists of aluminum silicate, silicon nitride, silicon carbide.
  • the porous metallic material is a metal foam, more advantageously if the metal foam consists of heat-resistant steel alloys, metal alloys or refractory metals, such as molybdenum, tungsten, tantalum, or their alloys.
  • porous ceramic foam or metal foam is a directionally structured three-dimensional network, and it is even more advantageous if the directional patterning has a lower thermal conductivity of the material perpendicular to the surface in the direction of the heat source than in the direction parallel to the surface in FIG Direction of the heat source.
  • the porous ceramic foam or the metal foam has foam cell widths of 0.2 to 6 mm.
  • the heat radiation reflecting material having a low emission coefficient has a thickness of 0.005 to 1.00 mm, more preferably 0.005 to 0.5 mm.
  • the porous ceramic and / or metallic material and the heat radiation reflecting material with low emission coefficient consist of the same material, more preferably of a metal and in particular of molybdenum or tungsten or of a molybdenum or tungsten alloy.
  • the porous ceramic and / or metallic material is completely surrounded by a heat radiation reflecting material with a low emission coefficient, wherein still advantageously the heat radiation reflecting material with low emission coefficient vacuum tight encloses the porous ceramic and / or metallic material and in particular in the inner volume, which reflects from the heat radiation Enclosed material with low emission coefficient, a vacuum is present.
  • the thermal radiation-reflecting material with low emission coefficient has the lowest possible coefficient of emission at least on one surface in the direction of the heat source and at the same time the porous ceramic and / or metallic material has the lowest possible thermal conductivity coefficient, wherein advantageously the emission coefficient in the range of 0, 03 to 0.5 in the temperature range of 20- 1800 0 C and at the same time the thermal conductivity coefficient in the range of 0.01 to 3 W / mK in the temperature range of 20-1800 0 C. It is particularly advantageous if the emission coefficient in the range of 0.03 to 0.3 in the temperature range of 20- 1800 0 C and at the same time the heat transfer coefficient in the range of 0.01 to 1 W / mK in the temperature range of 20-1800 0 C. ,
  • the thermal radiation shield has an effective emission coefficient in the range of 0.001 - ⁇ 0.15, and advantageously in the range of 0.001 - 0.069.
  • the effective emission coefficient decreases with thickness. It is possible to use relatively large thicknesses for the porous material, e.g. 5-20 mm, since the mass and associated material costs increase only slightly with increasing thickness due to the porosity of the material.
  • the heat radiation reflecting material having a low emission coefficient at the surface of the porous material having a higher density can be as thin as possible, e.g. 0.07 mm. The respective optimum depends on the space available for the particular furnace and the desired weight and / or cost of the heat radiation shields. This optimum can easily be determined by a person skilled in the art.
  • the solution according to the invention shows a significantly lower weight compared to a heat radiation protection screen according to the prior art.
  • the lower weight is achieved primarily by the use of porous ceramic and / or metallic material and also by the use of less material, since the inventively used material better fulfills the required protective function due to its thermal properties.
  • the effective emission coefficient can be approximately equal to that of known heat radiation protection screens or even lower.
  • thermal radiation shields according to the invention over heat radiation protective screens according to the prior art is that the low emission coefficient at least on a surface in the direction of the heat source of a vacuum and protective gas furnace to the fullest possible reflection of the heat radiation of the heat source and only the smallest possible part of Heat radiation can penetrate into the material, wherein at the same time the use of the porous ceramic and / or metallic material as low as possible heat conduction is realized in the interior of the material.
  • the heat radiation protective screens according to the invention exhibit their advantageous properties only in vacuum and protective gas furnaces in the high temperature range from about 600 ° C.
  • other solutions from the prior art can be used more advantageously.
  • the heat radiation protection screen according to the invention is in the form of a so-called sandwich construction, wherein a porous to highly porous material is completely or partially covered by a material with a low emission coefficient on one side in the direction of the heat source, for example laminated with a film.
  • This film may in turn advantageously consist of a high temperature resistant metal.
  • the faces and the back of the porous material may be covered with a foil of a cheaper material having comparatively poorer properties.
  • the interior, which is enclosed by the films can also be evacuated, so that this vacuum at the same time still acts as insulation.
  • connection between the porous material and the heat radiation reflecting material may be material and / or form-fitting.
  • a cohesive connection exist between the materials material connection points, for example, by sintered bridges or solder joints.
  • the connection is made for example by mechanical fasteners, such as undercuts or fasteners, such as pins, wires, screws. Both connection options can be solvable or insoluble.
  • Heat radiation shields are replaced in case of wear or failure. Furthermore, an originally positive connection through the use be converted in a furnace to a cohesive connection, for example, by sintering the contact points between the porous material and the heat radiation reflecting material. Particularly preferred is a mounting variant in which the lowest possible heat transfer between the heat radiation reflecting material and the porous material occurs.
  • foam thicknesses 2-20 mm In the case of the use of foams are advantageous foam thicknesses 2-20 mm, foam cell widths 0.2 to 6 mm, foam densities 3 to 20%, preferably 5 to 10% of the density of the bulk material.
  • the foam densities lead to a porosity of the porous materials used of 80 to 97%, preferably 90 to 95% of the theoretical density. These high open (i.e., externally accessible) porosities ensure relatively rapid evacuability of the oven interior.
  • the heat radiation-reflecting material according to the invention is advantageously a metal layer with a thickness of 0.005 to 1, 00 mm, and is as dense as possible, that is preferably free of pores or in the case of a layer containing as possible only closed pores.
  • the heat radiation-reflecting material according to the invention is as smooth as possible on its surface in the direction of the heat source.
  • This heat radiation reflecting material of the present invention acts as a conventional thermal radiation shield of the prior art.
  • the subsequent porous material reduces the heat conduction and is at the same time much lighter than the conventional heat radiation protective screens.
  • the low heat conduction of the heat radiation protection screen results in a significantly lower surface temperature of the side of the heat radiation protection screen which is remote from the heat source than on the side facing the heat source.
  • the general temperature dependence of the emission coefficients which usually leads to their reduction with decreasing temperature, less heat is also emitted at the rear side.
  • the surface of the heat radiation shields is often changed by scaling or deposits, which usually leads to an increase in the emission coefficient, which is inconveniently more heat absorbed at the heat source side facing the heat radiation protection shield and discharged at the back.
  • the heat-insulating function of the heat radiation protection screens decreases over time, which also limits their functional life.
  • heat radiation-reflecting material according to the invention can also be used for mechanical stabilization of the porous material or vice versa.
  • the heat conduction perpendicular to the surface of the heat radiation protection screen can be significantly reduced, so that less heat radiation protection screens must be used in the isolation zone of a furnace.
  • Thermal radiation shields according to the present invention wherein the thermal radiation-reflecting layered material and the porous material are made of the same metal, have a density of 5-30% of the pure metal.
  • Molybdenum heat radiation protective screens according to the invention have a weight of 2-10 kg / m 2 surface and the heat conduction perpendicular to the surface is 0.2-10 W / mK at room temperature and 0.3-15 W / mK at 1000 0 C below Vacuum atmosphere in the furnace chamber with the same or improved heat radiation reflection, as a conventional heat radiation protection screen.
  • a 1 mm thick molybdenum sheet has a basis weight of 10 kg / m 2 and has a thermal conductivity of 145 W / mK at room temperature and 105 W / mK at 1000 0 C.
  • Tungsten heat radiation protective screens according to the invention have a weight of 5-30 kg / m 2 surface and the heat conduction perpendicular to the surface is 0.4-20 W / mK at room temperature and 0.6-30 W / mK at 1000 0 C under a vacuum atmosphere in the furnace chamber with equal or improved thermal radiation reflection, like a conventional thermal radiation shield.
  • a 1 mm thick tungsten sheet has a basis weight of 19 kg / m 2 and has a thermal conductivity of 165 W / mK at room temperature and 135 W / mK at 1000 0 C.
  • a heat radiation protective screen according to the invention in the case of the use of a foam is carried out according to known methods.
  • an open-cell polymer foam is coated with a powder suspension, dried, the polymer is burned out and subjected to a temperature treatment (US 3,090,094 for ceramic foams, US 3,111,396 for metal foams).
  • a temperature treatment US 3,090,094 for ceramic foams, US 3,111,396 for metal foams.
  • a polymer foam another thermally or chemically removable open-cell material can be used (DE 197 53 249 A1).
  • the finished foam with the desired dimensions can thus be used as a heat radiation protection screen.
  • it is coated on the side in the direction of the heat source or on the corresponding back with a heat radiation reflecting material according to the invention, advantageously metal foils, and this fixed on the foam surface.
  • a positive connection can be made by bending the metal foil around the side edges of the foam or by bending or folding in existing recesses in the foam or by pressing individual areas of the film in the open cells of the foam. It can also hooks, wires, pins are pushed out of the film, which get caught in the foam or in holes in the foam. These fasteners can be passed through the foam and on the be attached opposite side. It can also be separately manufactured hooks, wires, pins used for attachment.
  • the film can be fixed by soldering to the foam, even locally limited, unless foam and foil are made of the same material. In the case of the same materials, sintering is possible, resulting in a permanent bond.
  • a further advantageous possibility for producing a heat radiation protective screen according to the invention consists in the production of a film of metal powder, application to a precursor of the foam and a common sintering.
  • a metal powder suspension is applied to a smooth surface and processed into a film.
  • a polymer foam in the form of the desired thermal radiation shield is also coated with a metal powder suspension and dried.
  • This coated polymer foam molding is placed on the still moist metal foil and thereby glued to it. After drying, the reverse side is coated with the damp metal foil and dried.
  • the thus-coated foam molding is subjected to a temperature treatment, wherein with increasing temperature, first the polymer foam and the molding aids used are burned or thermally decomposed and escape in gaseous form, and then sinter the powder particles.
  • an inventive heat radiation protection screen is present at the end of the process.
  • an inventive thermal radiation shield can be produced.
  • a thin fabric in the form of a woven, knitted, knitted or nonwoven fabric of metal wires to a sintered or unsintered foam and filling the interstices between the metal wires by, for example, spraying and subsequent drying and sintering.
  • Particularly thin layers of thermal radiation reflecting material can be applied by known coating techniques, eg by thermal spraying, PVD or CVD.
  • a thin mat of polymer or natural fiber material for example in the form of a woven, knitted, knitted or non-woven, can be applied to the sintered or unsintered foam.
  • this mat can already be pre-soaked with a metal suspension or coated by subsequent doctoring or spraying with this. After drying, the polymer or natural fiber material is thermally decomposed or burned by the further heat treatment before the metal foam sinters.
  • fibrous materials and thin mats of fine-pored open-cell polymer foam can be used.
  • the sandwich composite After joining foam and foil, the sandwich composite can be deformed. For example, rolling may be performed to a smaller thickness of the thermal radiation shield. Essentially, the foam is deformed. Also, the heat radiation shield can be bent, folded or folded to produce different geometries for the desired location.
  • An inventive thermal radiation shield consists of an open-celled molybdenum foam with a porosity of 90%, a density of 1, 02 g / cm 3 and an average cell width of 0.2 mm; the thickness of this radiation protection screen is 5 mm.
  • the weight of one square meter of this heat radiation protection screen is 5.1 kg.
  • the thermal conductivity perpendicular to the surface in vacuum at room temperature is 0.6 W / mK, at 1000 0 C 1 W / mK.
  • the heat reflection at the surface is slightly lower than the conventional molybdenum heat radiation protective screens, the emission coefficient at 1000 0 C. is about 0.35.
  • the effective emission coefficient in vacuum at 1000 0 C is 0.14.
  • a conventional molybdenum thermal radiation shield having a thickness of 0.8 mm has a density of 10.2 g / cm 3 and a basis weight of 8.2 kg / m 2 .
  • the heat conduction at room temperature is 145 W / mK and 105 W / mK at 1000 ° C.
  • the emission coefficient at 1000 ° C. is 0.3.
  • the effective emission coefficient in vacuum at 1000 ° C is 0.15.
  • thermal radiation shielding of the present invention With the thermal radiation shielding of the present invention, a better heat insulating effect can be obtained in a vacuum furnace having the same number of thermal radiation shields as conventional thermal radiation shields.
  • Thermal radiation shields are 38% molybdenum, i. correspondingly less weight and heat capacity used.
  • a thermal radiation shield according to the invention consists of a sandwich of a 5 mm thick core of open-cell molybdenum foam with a density of 0.51 g / cm 3 and an average cell width of 0.8 mm; the laminated on both sides with 0.1 mm thick molybdenum foil and is bonded by sintering materially.
  • the density of this heat radiation protective screen is 0.88 g / cm 3 .
  • the weight of one square meter of this heat radiation protection screen is 4.6 kg.
  • the thermal conductivity perpendicular to the surface in vacuum is 0.2 W / mK at room temperature, 0.9 W / mK at 1000 ° C. Surface heat reflection is equal to conventional molybdenum thermal radiation shields, with polished sheet metal of 0.14.
  • the effective emission coefficient in vacuum at 1000 ° C is 0.063, at 1500 ° C 0.062.
  • a conventional polished molybdenum thermal radiation shield having a thickness of 0.8 mm has a density of 10.2 g / cm 3 and a basis weight of 8.2 kg / m 2 .
  • the heat conduction is 145 W / mK at room temperature, 105 W / mK at 1000 0 C and 90 W / mK at 1500 0 C.
  • the effective emission coefficient in vacuum at 1000 ° C and 1500 ° C is 0.070.

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Description

Wärmestrahlungsschutzschirm für Vakuum- und Schutzgasöfen
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Maschinenbaus und betrifft einen Strahlungsschutzschirm für Vakuum- und Schutzgasöfen, der zu einer möglichst guten Abschirmung der Wärmestrahlung eingesetzt wird.
Bei Verfahren und Vorrichtungen zur thermischen Behandlung von Stoffen oder Werkstücken soll aus Effektivitätsgründen die Wärmequelle (Heizer) und das zu behandelnde Material von der Umgebung thermisch abgeschirmt werden. Gleichzeitig muss die Umgebung (z.B. die Ofenwandung) vor zu hoher thermischer Belastung geschützt werden.
Die Ausbreitung von Wärme erfolgt im Wesentlichen durch drei Prinzipien: durch die Ausbreitung über Wärmeleitung in Stoffen (ohne Stoffbewegung), durch Konvektion (mit Stoff beweg u ng) und durch die Ausbreitung durch Wärmestrahlung. Letztere benötigt kein Übertragungsmedium, ist also auch im Vakuum möglich.
Zur thermischen Isolation wird aus den o.g. Gründen die Konvektion eingeschränkt oder verhindert und es werden als thermisch isolierende Stoffe Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit und/oder Materialien, die die Wärmestrahlung reflektieren, verwendet. Zur Wärmeisolierungen von thermischen Prozessen werden häufig thermisch isolierend wirkende Stoffe zwischen die Wärmequelle und die zu schützende Umgebung eingebracht, die eine Ausbreitung der Wärme behindern. Zur Wärmeisolation in Vakuum- und Schutzgasöfen spielt die Wärmeübertragung durch Konvektion und Wärmeleitung nur eine geringe Rolle, da das gasförmige Übertragungsmedium fehlt oder schlechte Wärmeleitungseigenschaften aufweist.
Die Übertragung durch Wärmeleitung nimmt in den meisten Stoffen mit der Temperatur ab, während die Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung nach dem Stephan-Boltzmann-Gesetz mit der 4. Potenz bei steigender Temperatur zunimmt, so dass vor allem im Hochtemperaturbereich, d.h. also insbesondere in Vakuum- und Schutzgasöfen die Wärmeübertragung durch Strahlung eine sehr große Bedeutung hat.
Vakuum- und Schutzgasöfen werden deshalb durch so genannte Strahlungsschutzschirme aus refraktären Metallen, wie z.B. Mo, W, Ta und deren Legierungen, isoliert, die zwar selbst eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, aber die Ofenwandungen von der thermischen Strahlung des Heizleiters abschirmen.
Die Fähigkeit eines Materials, Wärmestrahlung zu emittieren, wird durch den Emissionskoeffizienten ε ausgedrückt, Wärme zu absorbieren, durch die Absorptionszahl a. Nach dem Gesetz von Kirchhoff ist der Emissionskoeffizient eines Körpers gleich der Absorptionszahl. In den nur theoretisch erreichbaren Grenzfällen von ε = 1 und ε = 0 wird Wärme vollständig absorbiert/abgestrahlt oder reflektiert. Bei Strahlungsschutzschirmen wird deshalb ein möglichst niedriger ε-Wert angestrebt, ε hängt sowohl von dem verwendeten Material (als Materialkenngröße) als auch von der Oberflächenbeschaffenheit des Materials ab. Glatte Oberflächen besitzen einen niedrigeren Emissionskoeffizienten als raue Oberflächen. Weiterhin hängt ε auch von der Temperatur ab, d.h. üblicherweise steigt der Wert mit zunehmender Temperatur.
Vor allem bei Öfen, bei denen die Temperaturbehandlung von Stoffen und/oder Werkstücken unter Vakuum oder unter Schutzgas, wie z.B. Stickstoff, Wasserstoff, Edelgase oder deren Gemische, bei niedrigeren Drücken als Umgebungsdruck erfolgt, sind die Strahlungsschutzschirme im Einsatz. Ein alternativer Einsatz von bekannten Wärmedämmstoffen ist deshalb ungünstig, da diese eine hohe innere Oberfläche besitzen und die daran absorbierten Stoffe im Vakuum schwierig zu entfernen sind, so dass die Erreichung eines hohen Unterdruckes im Ofen sehr lange dauert oder gar nicht möglich ist. Außerdem sind diese Wärmeisolationsstoffe häufig sehr voluminös und besitzen eine hohe Wärmekapazität, wodurch das Aufheizen und Abkühlen des Ofens sehr lange dauert. Hier haben herkömmliche Wärmestrahlungsschutzschirme den Vorteil, dass sie wenig Oberfläche und wenig Wärmekapazität besitzen, wodurch die Öfen schnell aufgeheizt und abgekühlt werden können und hohe Vakuumwerte erreichbar sind.
Wärmestrahlungsschutzschirme werden mehrfach hintereinander mit dazwischen liegenden Freiräumen angeordnet und befinden sich zwischen der Wärmequelle und dem thermisch zu schützenden Bereich. Beispielsweise sind in einem zylindrischen Ofen mit zylindrischen Heizleitern zwischen den Heizleitern und der Ofenwandung mehrere konzentrisch angeordnete Bleche aus Molybdän oder Wolfram in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet. Am Boden und am Deckel des zylindrischen Ofens befinden sich runde Molybdän- oder Wolframbleche übereinander angeordnet.
Nachteilig bei der Verwendung von Wärmestrahlungsschutzschirmen sind der hohe Preis der Bleche aus den Refraktärmetallen und das hohe Gewicht solcher Bleche. Es wurde daher versucht, so wenig wie möglich Refraktärmetall zu verwenden, indem beispielsweise dünnere Bleche eingesetzt werden. Dem sind aber insofern Grenzen gesetzt, da diese Bleche eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit besitzen müssen, um sich beim Betrieb des Ofens nicht zu verformen und das Eigengewicht zu tragen. Andernfalls sind aufwändige Stütz- und Befestigungsvorrichtungen ebenfalls im Ofen erforderlich, die den Vorteil wieder aufheben.
Weiterhin verspröden die meisten Wärmestrahlungsschutzschirme nach kurzer Zeit, so dass sehr dünne Bleche sehr empfindlich gegenüber mechanischer Beanspruchung, z.B. infolge thermisch induzierter Spannungen oder bei Manipulationen im Ofen werden und deren Lebensdauer einschränken. Ein weiterer Grund, dass mehrere Schirme hintereinander eingesetzt werden, ist, dass zwar die Oberfläche der Schutzschirme die Wärmestrahlung reflektiert, aber diese Reflektion nie vollständig ist. Dadurch absorbieren auch die Schutzschirme einen Teil der Wärmestrahlung und heizen sich selbst auf. Durch die relativ hohe Wärmeleitfähigkeit der Refraktärmetalle wird die an der der Wärmequelle zugewandten Seite absorbierte Wärme auf die Rückseite des Schutzschirmes geleitet und dort wieder abgestrahlt. Erst durch eine Kaskadierung von Schutzschirmen kann erreicht werden, dass eine hohe Wärmeisolation eintritt. Nachteilig ist, dass viele Schutzschirme eingesetzt werden müssen und diese schwer und teuer sind.
Bei den o.g. Refraktärmetallen ergibt sich infolge der hohen Wärmeleitfähigkeit und der geringen Dicke der Schutzschirme nur ein sehr geringer, faktisch nicht messbarer thermischer Gradient zwischen Vorder- und Rückseite des einzelnen Schirmes.
Die Wirkung eines Wärmestrahlungsschutzschirmes im Vakuum auf die durchgeleitete Wärmestromdichte jth kann für den Fall einer parallelen Anordnung des Schutzschirmes zwischen einer flächigen Wärmequelle mit Temperatur Ti und der Umgebung mit Temperatur T0 mit einer Effektiven Emissivität εeff beschrieben werden (σ = Stefan-Boltzmann-Konstante = 5,67*108 W/m2K4):
jth = εΘff . G - (T1 4 - X )
Der Einfluss der Oberflächenemissionskoeffizienten ε, der Dicke d und der inneren Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten λ des Wärmestrahlungsschutzschirmes kann für den o.g. Fall nach folgender Gleichung näherungsweise abgeschätzt werden (Wärmequelle angenommen als „schwarzer Strahler" mit ε =1 ):
Je geringer die effektive Emissivität eines Wärmestrahlungsschutzschirmes ist, desto weniger Wärme wird durch den Schirm gelangen. Typische Werte von dünnen Wärmestrahlungsschutzschirmen für Vakuum- und Schutzgasöfen aus Molybdän oder Wolfram liegen bei εeff ≥0,07, typischerweise bei >0,175, wenn keine hochpolierten Bleche verwendet werden, was aufwändig und teuer ist. Diese Werte sind wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit nur sehr geringfügig abhängig von der Dicke des Schildes. Typischerweise werden je nach Ofengröße Bleche von 0,1 mm bis 1 mm Dicke verwendet, so dass die Flächengewichte für Molybdänbleche von 1- 10,4 kg/m2 und für Wolframbleche von 1 ,9-19,3 kg/m2 reichen.
In der AT-PS 279190 sind Strahlschutzkörper für Hochtemperaturöfen angegeben, bei denen auf ein Gerüst auswechselbare, gewellte Bleche aus hochschmelzendem Metall angebracht werden. Allerdings erhöhen die Gerüste wieder das Gewicht und die Kosten für die Isolation.
Durch Noppen ausgeprägte Abstandshaltung von Blechen für Hitzeschilder sind in DE 44 29 104 A1 beschrieben. Hier wird im wesentlichen die Wärmedämmung in Luftanwendungen bei relativ niedrigen Temperaturen erhöht, da dabei das isolierende Gas (Luft) zwischen den Blechen/Folien eingeschlossen und dessen Konvektion verhindert wird.
In der AT-PS 390688 werden zwischen Schutzblechen in Vakuumanlagen Vliese, Gewebe oder Geflechte aus Metalldrähten eingeführt, um die Wärmeleitung zwischen den Blechen zu verbessern und eine verbesserte und gleichmäßigere Wärmeableitung von einer Hochtemperatur-Wärmequelle zu ermöglichen, was im Gegensatz zur angestrebten Funktion des erfindungsgemäßen Strahlungsschutzschirmes steht.
Andere Hitzeschilde, z.B. in JP 09176821 bestehen aus einem metallischen Träger und einer zumeist keramischen Wärmedämmschicht, mit verschiedenen Zwischenlagen zur Haftvermittlung und Korrosionsschutz. Die Wärmedämmschicht verringert die Wärmeleitung bei niedrigen Temperaturen und schützt den metallischen Träger vor der Wärmeeinwirkung. Bei sehr hohen Temperaturen würde allerdings eine hohe Absorption der Strahlungswärme in der Wärmedämmschicht auftreten und das Hitzeschild an Wirksamkeit verlieren. In DE 197 50 517 A1 ist eine poröse Metallfaserfilz-Zwischenschicht aufgebracht, wobei die Zwischenschicht eine bessere aktive Kühlung durch erzwungene Konvektion mit einem Kühlmedium ermöglichen soll. Diese Kühlung ist aber technisch sehr aufwändig und deshalb für Vakuum- und Schutzgasöfen nicht geeignet.
Wiederum andere Hitzeschilde, z.B. in DE 199 47 755 oder DE 36 07 047 sind aus porösem Material aufgebaut und werden von einem heißen Medium (z.B. Abgas oder Reaktionsprodukten) durchströmt, d.h. hier wird ein hoher Anteil an Wärme durch die Randbedingungen des technischen Prozesses über Konvektion übertragen. Dabei soll durch einen hohen Wärmeübergang die Wärme des heißen, durchströmenden Mediums auf das poröse Medium übertragen werden, welches durch Zurückstrahlung in den Reaktionsraum den Austrag der Wärme mit dem Medium verringern soll. Zu diesem Zweck soll aber die Emissivität der Oberfläche möglichst hoch sein, was aber bei hohen Temperaturen sehr ungünstig ist, da dann auch ein hoher Anteil der Strahlungswärme absorbiert wird.
Thermisch besonders gut isolierende Materialien werden u.a. in JP 63263370 oder US 5,744,225 durch einen Mehrschichtenaufbau erzielt, der die unterschiedliche spektrale Durchlassfähigkeit der Wärmestrahlung von verschiedenen Materialien ausnutzt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe von Wärmestrahlungsschutzschirmen mit verringertem Gewicht bei gleicher oder geringerer effektiver Emissivität.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer Wärmestrahlungsschutzschirm für Vakuum- und Schutzgasöfen besteht mindestens aus einem porösen keramischen und/oder metallischen Material, und besitzt mindestens auf einer Oberfläche in Richtung der Wärmequelle hohe Wärmestrahlungsreflektierende Eigenschaften. Von Vorteil ist, wenn der Wärmestrahlungsschutzschirm einen Emissionskoeffizienten an der Oberfläche von 0,03-0,5 im Temperaturbereich von 20-18000C aufweist.
Vorteilhafterweise besteht ein erfindungsgemäßer Wärmestrahlungsschutzschirm aus einem keramischen und/oder metallischen Material mit einer Porosität im Bereich von 80 bis 97 %, noch vorteilhafterweise im Bereich > 90 %.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn für die Wärmestrahlungsreflektierenden Eigenschaften ein Material mit geringem Emissionskoeffizienten auf das poröse keramische und/oder metallische Material aufgebracht wird. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Emissionskoeffizient des aufgebrachten Materials einen Emissionskoeffizienten von 0,03-0,35 im Temperaturbereich von 20-18000C aufweist. Es ist auch von Vorteil, wenn dieses Material mit geringem Emissionskoeffizienten eine Metallfolie oder noch besser eine dichte, porenfreie Metallfolie oder eine dichte Schicht ist.
Von Vorteil ist es auch, wenn das poröse keramische Material ein Keramikschaum ist, noch vorteilhafterweise, wenn es aus Aluminiumsilikat, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid besteht.
Auch von Vorteil ist es, wenn das poröse metallische Material ein Metallschaum, noch vorteilhafterweise, wenn der Metallschaum aus hitzebeständigen Stahllegierungen, Metalllegierungen oder Refraktärmetallen, wie Molybdän, Wolfram, Tantal, oder deren Legierungen besteht.
Ein weitere Vorteil besteht, wenn der poröse keramische Schaum oder der Metallschaum ein richtungsabhängig strukturiertes dreidimensionales Netzwerk ist, wobei es noch vorteilhafter ist, wenn die richtungsabhängige Strukturierung eine geringere Wärmeleitfähigkeit des Materials senkrecht zur Oberfläche in Richtung der Wärmequelle aufweist als in paralleler Richtung zur Oberfläche in Richtung der Wärmequelle.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn der poröse keramische Schaum oder der Metallschaum Schaumzellweiten von 0,2 bis 6 mm aufweist. Vorteilhafterweise weist das Wärmestrahlungsreflektierende Material mit geringem Emissionskoeffizienten eine Dicke von 0,005 bis 1 ,00 mm noch vorteilhafter von 0,005 bis 0,5 mm auf.
Auch vorteilhafterweise bestehen das poröse keramische und/oder metallische Material und das Wärmestrahlungsreflektierende Material mit geringem Emissionskoeffizienten aus dem gleichen Werkstoff, noch vorteilhafterweise aus einem Metall und insbesondere aus Molybdän oder Wolfram oder aus einer Molybdän- oder Wolframlegierung.
Weiterhin vorteilhafterweise ist das poröse keramische und/oder metallische Material vollständig von einem Wärmestrahlungsreflektierenden Material mit geringem Emissionskoeffizienten umgeben, wobei noch vorteilhafterweise das Wärmestrahlungsreflektierende Material mit geringem Emissionskoeffizienten vakuumdicht das poröse keramische und/oder metallische Material umschließt und insbesondere im inneren Volumen, das von dem Wärmestrahlungsreflektierenden Material mit geringem Emissionskoeffizienten umschlossen ist, ein Vakuum vorliegt.
Von Vorteil ist auch, wenn das Wärmestrahlungsreflektierende Material mit geringem Emissionskoeffizienten mindestens auf einer Oberfläche in Richtung der Wärmequelle einen möglichst niedrigen Emissionskoeffizienten und gleichzeitig das poröse keramische und/oder metallische Material einen möglichst niedrigen Wärmeleitkoeffizienten aufweist, wobei noch vorteilhafterweise der Emissionskoeffizient im Bereich von 0,03 bis 0,5 im Temperaturbereich von 20- 18000C und gleichzeitig der Wärmeleitkoeffizient im Bereich von 0,01 bis 3 W/mK im Temperaturbereich von 20-18000C liegt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Emissionskoeffizient im Bereich von 0,03 bis 0,3 im Temperaturbereich von 20- 18000C und gleichzeitig der Wärmeleitkoeffizient im Bereich von 0,01 bis 1 W/mK im Temperaturbereich von 20-18000C liegen.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der effektive Emissionskoeffizient nach der Formel £ eff ε λ 2 2 T1 4
berechenbar ist, wobei dann der Wärmestrahlungsschutzschirm einen effektiven Emissionskoeffizienten im Bereich von 0,001 - < 0,15, und vorteilhafterweise im Bereich von 0,001 - 0,069 aufweist.
Wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit des porösen Materials nimmt der effektive Emissionskoeffizient mit der Dicke ab. Es ist möglich, relativ große Dicken für das poröse Material, z.B. 5-20 mm zu verwenden, da die Masse und die damit verbundenen Materialkosten infolge der Porosität des Materials mit zunehmender Dicke nur geringfügig steigen. Gleichzeitig kann das Wärmestrahlungsreflektierende Material mit geringem Emissionskoeffizienten an der Oberfläche des porösen Materials, das über eine höhere Dichte verfügt, möglichst dünn, z.B. 0,07 mm, ausgeführt werden. Das jeweilige Optimum richtet sich nach den für den jeweiligen Ofen verfügbaren Platzverhältnissen und dem angestrebten Gewicht und/oder Kosten für die Wärmestrahlungsschutzschilde. Dieses Optimum kann von einem Fachmann leicht ermittelt werden.
Die erfindungsgemäße Lösung zeigt im Vergleich zu einem Wärmestrahlungsschutzschirm nach dem Stand der Technik ein deutlich geringeres Gewicht. Das geringere Gewicht wird in erster Linie erreicht durch den Einsatz von porösem keramischem und/oder metallischem Material und weiterhin auch durch den Einsatz von weniger Material, da das erfindungsgemäß eingesetzte Material die geforderte Schutzfunktion aufgrund seiner wärmetechnischen Eigenschaften besser erfüllt. Dabei kann der effektive Emissionskoeffizient etwa gleich der von bekannten Wärmestrahlungsschutzschirmen sein oder auch geringer.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Wärmestrahlungsschutzschirme gegenüber Wärmestrahlungsschutzschirmen nach dem Stand der Technik liegt darin, dass der geringe Emissionskoeffizient mindestens auf einer Oberfläche in Richtung der Wärmequelle eines Vakuum- und Schutzgasofens zu einer möglichst vollständigen Reflexion der Wärmestrahlung der Wärmequelle führt und nur einen möglichst geringen Teil der Wärmestrahlung in das Material eindringen lässt, wobei gleichzeitig durch den Einsatz des porösen keramischen und/oder metallischen Materiales eine möglichst geringe Wärmeleitung im Inneren des Materials realisiert wird.
Weiterhin zeigen die erfindungsgemäßen Wärmestrahlungsschutzschirme ihre vorteilhaften Eigenschaften nur in Vakuum- und Schutzgasöfen im Hochtemperaturbereich ab ca. 600 0C. Für Anwendungen in Öfen mit niedrigeren Temperaturen sind andere Lösungen aus dem Stand der Technik vorteilhafter einsetzbar.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erfindungsgemäße Wärmestrahlungsschutzschirm in Form eines sogenannten Sandwichaufbaus vorliegt, wobei ein poröses bis hochporöses Material von einem Material mit geringem Emissionskoeffizienten auf einer Seite in Richtung der Wärmequelle ganz oder teilweise bedeckt, beispielsweise mit einer Folie kaschiert, ist. Diese Folie kann dabei wiederum vorteilhafterweise aus einem hochtemperaturbeständigen Metall bestehen. Zur weiteren Kostenersparnis können die Stirnseiten und die Rückseite des porösen Materials mit einer Folie aus einem billigeren Material mit vergleichsweise schlechteren Eigenschaften bedeckt sein. Bei einem vakuumdichten Abschluss der Folien um das poröse Material kann der Innenraum, der von den Folien umschlossen wird, auch evakuiert werden, so dass dieses Vakuum gleichzeitig noch als Isolation wirkt.
Die Verbindung zwischen dem porösen Material und dem Wärmestrahlungsreflektierenden Material kann stoff- und/oder formschlüssig sein. Bei einer stoffschlüssigen Verbindung bestehen zwischen den Materialien stoffliche Verbindungsstellen, beispielsweise durch Sinterbrücken oder Lötstellen. Bei einer formschlüssigen Verbindung wird beispielsweise durch mechanische Befestigungen, wie Hinterschneidungen oder Verbindungselemente, wie Stifte, Drähte, Schrauben die Verbindung hergestellt. Beide Verbindungsmöglichkeiten können lösbar oder unlösbar sein. Durch lösbare Verbindungen können vorteilhafterweise auch nur einzelne Wärmestrahlungsschutzschirme oder Teile der
Wärmestrahlungsschutzschirme bei Verschleiß oder Versagen ausgetauscht werden. Weiterhin kann auch eine ursprünglich formschlüssige Verbindung durch den Einsatz in einem Ofen zu einer stoffschlüssigen Verbindung umgewandelt werden, beispielsweise durch Versinterung der Kontaktstellen zwischen dem porösen Material und dem Wärmestrahlungsreflektierenden Material. Besonders bevorzugt ist eine Befestigungsvariante, bei der ein möglichst geringer Wärmeübergang zwischen dem Wärmestrahlungsreflektierenden Material und dem porösen Material auftritt.
Für den Fall des Einsatzes von Schäumen betragen vorteilhafte Schaumdicken 2-20 mm, Schaumzellweiten 0,2 bis 6 mm, Schaumdichten 3 bis 20 %, vorzugsweise 5 bis 10 % der Dichte des Bulkmaterials.
Die Schaumdichten führen zu einer Porosität der eingesetzten porösen Materialien von 80 bis 97 %, vorzugsweise 90 bis 95 % der theoretischen Dichte. Durch diese hohen offenen (d.h. von außen zugänglichen) Porositäten wird eine relativ schnelle Evakuierbarkeit des Ofeninnenraums gewährleistet.
Das erfindungsgemäße Wärmestrahlungsreflektierende Material ist vorteilhafterweise eine Metallschicht mit einer Dicke von 0,005 bis 1 ,00 mm, und ist möglichst dicht, das heißt möglichst porenfrei oder im Falle einer Schicht möglichst nur geschlossene Poren enthaltend.
Das erfindungsgemäße Wärmestrahlungsreflektierende Material ist auf seiner Oberfläche in Richtung der Wärmequelle möglichst glatt. Dieses erfindungsgemäße Wärmestrahlungsreflektierende Material wirkt wie ein herkömmlicher Wärmestrahlungsschutzschirm nach dem Stand der Technik. Das nachfolgende poröse Material verringert die Wärmeleitung und ist gleichzeitig deutlich leichter, als die herkömmlichen Wärmestrahlungsschutzschirme.
Weiterhin ergibt sich durch die geringe Wärmeleitung des Wärmestrahlungsschutzschirmes eine deutlich niedrigere Oberflächentemperatur der von der Wärmequelle abgewandten Seite des Wärmestrahlungsschutzschirmes, als an der der Wärmequelle zugewandten Seite. Durch die allgemeine Temperaturabhängigkeit der Emissionskoeffizienten, die üblicherweise zu deren Verringerung mit sinkender Temperatur führt, wird dadurch auch weniger Wärme an der Rückseite abgestrahlt. Bei Benutzung eines Hochtemperaturofens wird die Oberfläche der Wärmestrahlungsschutzschirme häufig durch Verzunderung oder Ablagerungen verändert, was in der Regel zu einer Erhöhung der Emissionskoeffizienten führt, wodurch ungünstigerweise mehr Wärme an der der Wärmequelle zugewandten Seite des Wärmestrahlungsschutzschirmes absorbiert und an der Rückseite abgegeben wird. Dadurch sinkt die wärmeisolierende Funktion der Wärmestrahlungsschutzschirme mit der Zeit, wodurch auch deren funktionelle Lebensdauer begrenzt ist. Durch die Verringerung der Rückseitentemperatur der erfindungsgemäßen Wärmestrahlungsschutzschirme wird trotz der gleichen Verschlechterung der Emissionskoeffizienten dessen Auswirkung aus den o.g. Gründen verringert, was in einer längeren funktionellen Lebensdauer resultiert.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Wärmestrahlungsreflektierende Material auch zur mechanischen Stabilisierung des porösen Materials dienen oder umgekehrt.
Von Vorteil kann eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sein, bei der bei vergleichbarer Fläche gegenüber herkömmlichen
Wärmestrahlungsschutzschirmen nach dem Stand der Technik bei gleicher Wärmeleitung senkrecht zu Fläche des Wärmestrahlungsschutzschirmes das Gewicht und die Wärmekapazität deutlich verringert sind. Bei einer anderen Ausgestaltung kann bei vergleichbarer Masse und Wärmekapazität die Wärmeleitung senkrecht zur Fläche des Wärmestrahlungsschutzschirmes deutlich verringert sein, so dass weniger Wärmestrahlungsschutzschirme in der Isolationszone eines Ofens eingesetzt werden müssen.
Erfindungsgemäße Wärmestrahlungsschutzschirme, bei denen das Wärmestrahlungsreflektierende schichtförmige Material und das poröse Material aus dem gleichen Metall bestehen, besitzen eine Dichte von 5-30% des reinen Metalls.
Erfindungsgemäße Wärmestrahlungsschutzschirme aus Molybdän besitzen ein Gewicht von 2-10 kg /m2 Fläche und die Wärmeleitung senkrecht zur Oberfläche beträgt 0,2-10 W/mK bei Raumtemperatur und 0,3-15 W/mK bei 1000 0C unter Vakuumatmosphäre im Ofenraum bei gleicher oder verbesserter Wärmestrahlungsreflexion, wie ein herkömmlicher Wärmestrahlungsschutzschirm. Zum Vergleich besitzt ein 1 mm starkes Molybdän-Blech ein Flächengewicht von 10 kg/m2 und weist eine Wärmeleitfähigkeit von 145 W/mK bei Raumtemperatur und 105 W/mK bei 1000 0C auf.
Erfindungsgemäße Wärmestrahlungsschutzschirme aus Wolfram besitzen ein Gewicht von 5-30 kg/m2 Fläche und die Wärmeleitung senkrecht zur Oberfläche beträgt 0,4-20 W/mK bei Raumtemperatur und 0,6-30 W/mK bei 1000 0C unter Vakuumatmosphäre im Ofenraum bei gleicher oder verbesserter Wärmestrahlungsreflexion, wie ein herkömmlicher Wärmestrahlungsschutzschirm. Zum Vergleich besitzt ein 1 mm starkes Wolfram-Blech ein Flächengewicht von 19 kg/m2 und weist eine Wärmeleitfähigkeit von 165 W/mK bei Raumtemperatur und 135 W/mK bei 1000 0C auf.
Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmestrahlungsschutzschirmes im Falle des Einsatzes eines Schaumes erfolgt nach an sich bekannten Verfahren. Dazu wird ein offenzelliger Polymerschaum mit einer Pulversuspension beschichtet, getrocknet, das Polymer ausgebrannt und einer Temperaturbehandlung unterzogen (US 3,090,094 für Keramikschäume; US 3,111 ,396 für Metallschäume). Anstelle eines Polymerschaumes kann auch ein anderes thermisch oder chemisch entfernbares offenzelliges Material verwendet werden (DE 197 53 249 A1 ). Der fertige Schaum mit den gewünschten Abmessungen kann so als Wärmestrahlungsschutzschirm eingesetzt werden. Vorteilhafterweise wird er auf der Seite in Richtung der Wärmequelle oder auch auf der entsprechenden Rückseite mit einem erfindungsgemäßen Wärmestrahlungsreflektierenden Material, vorteilhafterweise Metallfolien, belegt und dieses auf der Schaumoberfläche befestigt. Dabei kann eine formschlüssige Verbindung durch Umbiegen der Metallfolie um die Seitenkanten des Schaumes oder durch Biegen oder Falzen in vorhandene Aussparungen in dem Schaum oder durch Eindrücken von einzelnen Bereichen der Folie in die offenen Zellen des Schaumes erfolgen. Es können auch Haken, Drähte, Stifte aus der Folie herausgedrückt werden, die sich im Schaum verhaken oder in Bohrungen im Schaum geführt werden. Auch können diese Befestigungselemente durch den Schaum hindurchgeführt und auf der gegenüberliegenden Seite befestigt werden. Es können auch separat gefertigte Haken, Drähte, Stifte zur Befestigung verwendet werden.
Weiterhin kann die Folie durch Löten an dem Schaum, auch lokal begrenzt, befestigt werden, sofern Schaum und Folie nicht aus dem gleichen Material bestehen. In dem Fall gleicher Materialien ist eine Versinterung möglich, die zu einer unlösbaren Verbindung führt.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmestrahlungsschutzschirmes besteht in der Herstellung einer Folie aus Metallpulver, Aufbringung auf eine Vorstufe des Schaumes und einer gemeinsamen Sinterung. Dazu wird eine Metallpulversuspension auf eine glatte Unterlage aufgebracht und zu einer Folie verarbeitet. Ein Polymerschaum in der Form des gewünschten Wärmestrahlungsschutzschirmes wird ebenfalls mit einer Metallpulversuspension beschichtet und getrocknet. Dieses beschichtete Polymerschaumformteil wird auf die noch feuchte Metallfolie aufgelegt und dadurch mit diesem verklebt. Nach dem Antrocknen wird die Rückseite mit der feuchten Metallfolie beschichtet und angetrocknet. Das so beschichtete Schaumformteil wird einer Temperaturbehandlung unterworfen, wobei mit zunehmender Temperatur zuerst der Polymerschaum und die verwendeten Formgebungshilfsmittel verbrannt oder thermisch zersetzt werden und gasförmig entweichen und anschließend die Pulverpartikel versintern. Dadurch liegt am Ende des Verfahrens ein erfindungsgemäßer Wärmestrahlungsschutzschirm vor.
Ebenfalls ist es möglich, eine dickflüssige Paste aus einem Metallpulver auf einen ungesinterten oder gesinterten Schaum aufzurakeln oder aufzustreichen und nach dem Antrocknen zu sintern.
Weiterhin kann durch Aufbringen eines dünnen textilen Flächengebildes in Form eines Gewebes, Gewirkes, Gestrickes oder Vlieses aus Metalldrähten auf einen gesinterten oder ungesinterten Schaum und durch Füllen der Zwischenräume zwischen den Metalldrähten durch beispielsweise Besprühen und nachfolgender Trocknung und Sinterung ein erfindungsgemäßer Wärmestrahlungsschutzschirm hergestellt werden. Besonders dünne Schichten von wärmestrahlungsreflektierendem Material können durch bekannte Beschichtungsverfahren, z.B. über thermisches Spritzen, PVD oder CVD aufgebracht werden.
Auch kann eine dünne Matte aus Polymer- oder Naturfaserstoff, beispielsweise in Form eines Gewebes, Gewirkes, Gestrickes oder Vlieses, auf den gesinterten oder ungesinterten Schaum aufgebracht werden. Dabei kann diese Matte bereits mit einer Metallsuspension vorgetränkt sein oder durch nachfolgendes Aufrakeln oder Aufsprühen mit dieser beschichtet werden. Nach der Trocknung wird der Polymeroder Naturfaserstoff durch die weitere Temperaturbehandlung thermisch zersetzt oder verbrannt, bevor der Metallschaum versintert. Anstelle von Faserstoffen können auch dünne Matten von feinporigem offenzelligem Polymerschaumstoff eingesetzt werden.
Nach dem Verbinden von Schaum und Folie kann der Sandwichverbund verformt werden. So kann beispielsweise ein Walzen auf eine geringere Dicke des Wärmestrahlungsschutzschirms durchgeführt werden. Dabei wird im Wesentlichen der Schaum verformt. Auch kann der Wärmestrahlungsschutzschirm gebogen, gefalzt oder abgekantet werden, um verschiedene Geometrien für den gewünschten Einsatzort herstellen zu können.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Ein erfindungsgemäßer Wärmestrahlungsschutzschirm besteht aus einem offenzelligen Molybdänschaum mit einer Porosität von 90%, einer Dichte von 1 ,02 g/cm3 und einer mittleren Zellweite von 0,2 mm; die Dicke dieses Strahlungsschutzschirmes beträgt 5 mm.
Das Gewicht von einem Quadratmeter Fläche aus diesem Wärmestrahlungsschutzschirm beträgt 5,1 kg. Die Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Oberfläche in Vakuum beträgt bei Raumtemperatur 0,6 W/mK, bei 10000C 1 W/mK. Die Wärmereflexion an der Oberfläche ist etwas niedriger als die herkömmlicher Molybdän-Wärmestrahlungsschutzschirme, der Emissionskoeffizient bei 10000C beträgt ca. 0,35. Der effektive Emissionskoeffizient in Vakuum bei 10000C beträgt 0,14.
Im Vergleich dazu besitzt ein herkömmlicher Molybdän- Wärmestrahlungsschutzschirm mit einer Dicke von 0,8 mm eine Dichte von 10,2 g/cm3 und ein Flächengewicht von 8,2 kg/m2. Die Wärmeleitung beträgt bei Raumtemperatur 145 W/mK und 105 W/mK bei 1000 0C. Der Emissionskoeffizient bei 10000C beträgt 0,3. Der effektive Emissionskoeffizient in Vakuum bei 1000°C beträgt 0,15.
Mit dem erfindungsgemäßen Wärmestrahlungsschutzschirm kann in einem Vakuumofen mit der gleichen Anzahl an Wärmestrahlungsschutzschirmen eine bessere Wärmeisolationswirkung erreicht werden, wie bei herkömmlichen Wärmestrahlungsschutzschirmen. Durch die erfindungsgemäßen
Wärmestrahlungsschutzschirme werden 38% an Molybdän, d.h. entsprechend weniger Gewicht und Wärmekapazität eingesetzt.
Beispiel 2
Ein erfindungsgemäßer Wärmestrahlungsschutzschirm besteht aus einem Sandwich aus einem 5 mm dicken Kern aus offenzelligem Molybdänschaum mit einer Dichte von 0,51 g/cm3 und einer mittleren Zellweite von 0,8 mm; der beidseitig mit 0,1 mm dicker Molybdänfolie kaschiert und durch Versinterung stoffschlüssig verbunden ist. Die Dichte dieses Wärmestrahlungsschutzschirmes beträgt 0,88 g/cm3. Das Gewicht von einem Quadratmeter Fläche aus diesem Wärmestrahlungsschutzschirm beträgt 4,6 kg. Die Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Oberfläche in Vakuum beträgt bei Raumtemperatur 0,2 W/mK, bei 10000C 0,9 W/mK. Die Wärmereflexion an der Oberfläche ist gleich der herkömmlicher Molybdän-Wärmestrahlungsschutzschirme, bei poliertem Blech von 0,14. Der effektive Emissionskoeffizient in Vakuum bei 1000°C beträgt 0,063, bei 1500°C 0,062.
Im Vergleich dazu besitzt ein herkömmlicher polierter Molybdän- Wärmestrahlungsschutzschirm mit einer Dicke von 0,8 mm eine Dichte von 10,2 g/cm3 und ein Flächengewicht von 8,2 kg/m2. Die Wärmeleitung beträgt bei Raumtemperatur 145 W/mK, 105 W/mK bei 1000 0C und 90 W/mK bei 15000C. Der effektive Emissionskoeffizient in Vakuum bei 1000°C und 1500°C beträgt 0,070.

Claims

Patentansprüche
1. Wärmestrahlungsschutzschirm für Vakuum- und Schutzgasöfen, bestehend mindestens aus einem porösen keramischen und/oder metallischen Material, welches mindestens auf einer Oberfläche in Richtung der Wärmequelle hohe Wärmestrahlungsreflektierende Eigenschaften besitzt.
2. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 1 , bei dem der Emissionskoeffizient an der Oberfläche 0,03-0,5 im Temperaturbereich von 20- 18000C beträgt.
3. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 1 , bestehend aus einem keramischen und/oder metallischen Material mit einer Porosität im Bereich von 80 bis 97 %.
4. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 3, bei dem die Porosität > 90 % beträgt.
5. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 1 , bei dem für die Wärmestrahlungsreflektierenden Eigenschaften ein Material mit geringem Emissionskoeffizienten auf das poröse keramische und/oder metallische Material aufgebracht wird.
6. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 5, bei dem der Emissionskoeffizient des aufgebrachten Materials mit geringem Emissionskoeffizienten 0,03-0,35 im Temperaturbereich von 20-18000C beträgt.
7. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 5, bei dem das Wärmestrahlungsreflektierende Material mit geringem Emissionskoeffizienten eine Metallfolie ist.
8. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 5, bei dem das Wärmestrahlungsreflektierende Material eine dichte, porenfreie Metallfolie oder eine dichte Schicht ist.
9. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 1 , bei dem das poröse keramische Material ein Keramikschaum ist.
10. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 9, bei dem der Keramikschaum aus Aluminiumsilikat, Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid besteht.
11. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 1 , bei dem das poröse metallische Material ein Metallschaum ist.
12. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 11 , bei dem der Metallschaum aus hitzebeständigen Stahllegierungen, Metalllegierungen oder Refraktärmetallen, wie Molybdän, Wolfram, Tantal, oder deren Legierungen besteht.
13. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 9 oder 11 , bei dem der poröse keramische Schaum oder Metallschaum ein richtungsabhängig strukturiertes dreidimensionales Netzwerk ist.
14. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 13, bei dem die richtungsabhängige Strukturierung eine geringere Wärmeleitfähigkeit des Materials senkrecht zur Oberfläche in Richtung der Wärmequelle aufweist als in paralleler Richtung zur Oberfläche in Richtung der Wärmequelle.
15. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 9 oder 11 , bei dem bei dem porösen keramischen Schaum oder dem Metallschaum die Schaumzellweiten 0,2 bis 6 mm betragen.
16. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 5, bei dem das Wärmestrahlungsreflektierende Material mit geringem Emissionskoeffizienten eine Dicke von 0,005 bis 1 ,00 mm aufweist.
17. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 16, bei dem das Wärmestrahlungsreflektierende Material mit geringem Emissionskoeffizienten eine Dicke von 0,005 bis 0,5 mm aufweist.
18. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 5, bei dem das poröse keramische und/oder metallische Material und das Wärmestrahlungsreflektierende Material mit geringem Emissionskoeffizienten aus dem gleichen Werkstoff bestehen.
19. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 18, bei dem der gleiche Werkstoff ein Metall ist.
20. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 19, bei dem der gleiche Werkstoff Molybdän oder Wolfram oder eine Molybdän- oder Wolframlegierung ist.
21. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 5, bei dem das poröse keramische und/oder metallische Material vollständig von einem Wärmestrahlungsreflektierenden Material mit geringem Emissionskoeffizienten umgeben ist.
22. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 21 , bei dem das Wärmestrahlungsreflektierende Material mit geringem Emissionskoeffizienten vakuumdicht das poröse keramische und/oder metallische Material umschließt.
23. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 22, bei dem im inneren Volumen, das von dem Wärmestrahlungsreflektierenden Material mit geringem Emissionskoeffizienten umschlossen ist, ein Vakuum vorliegt.
24. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 5, bei dem das Wärmestrahlungsreflektierende Material mit geringem Emissionskoeffizienten mindestens auf einer Oberfläche in Richtung der Wärmequelle einen möglichst niedrigen Emissionskoeffizienten und gleichzeitig das poröse keramische und/oder metallische Material einen möglichst niedrigen Wärmeleitkoeffizienten aufweist.
25. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 24, bei dem der Emissionskoeffizient im Bereich von 0,03 bis 0,5 im Temperaturbereich von 20- 1800°C und gleichzeitig der Wärmeleitkoeffizient im Bereich von 0,01 bis 3 W/mK im Temperaturbereich von 20-18000C liegt.
26. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 24, bei dem wenn der Emissionskoeffizient im Bereich von 0,03 bis 0,3 im Temperaturbereich von 20- 18000C und gleichzeitig der Wärmeleitkoeffizient im Bereich von 0,01 bis 1 W/mK im Temperaturbereich von 20-18000C liegt.
27. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 1 , bei dem der effektive Emissionskoeffizient nach der Formel
berechenbar ist und im Bereich von 0,001 - < 0,15 liegt.
28. Wärmestrahlungsschutzschirm nach Anspruch 27, bei dem der effektive Emissionskoeffizient im Bereich von 0,001 - 0,069 liegt.
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